胡 焜，柳艷杰，宋 冰

（黑龍江大學建筑工程學院，哈爾濱150080）

1 溫度對混凝土強度的影響

冬期施工是指當環(huán)境晝夜平均氣溫連續(xù)3d低于5℃或最低氣溫低于－3℃時混凝土、鋼筋混凝土、預應力混凝土及砌體工程的施工?；炷涟韬臀餄仓?，凝結(jié)和硬化的強度主要靠水泥水化作用。水化作用的速度在一定濕度條件下，主要取決于溫度，溫度愈高，強度增長也愈快，反之則慢。當溫度降至0℃以下時，水化作用基本停止，溫度再繼續(xù)降至－2～－4℃，混凝土內(nèi)的水開始結(jié)冰，水結(jié)冰后體積增大8%～9%，在混凝土內(nèi)產(chǎn)生冰晶應力，使強度很低的水泥石結(jié)構內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，同時減弱了水泥、砂石和鋼筋之間的黏結(jié)力，從而使混凝土強度降低。受凍的混凝土在解凍后，其強度雖能繼續(xù)增長，但達不到原設計的強度等級。試驗證明，混凝土遭受凍結(jié)帶來的危害，與凍結(jié)的時間早晚、水灰比等有關，遭凍時間愈早，水灰比愈大，則強度損失愈多；反之，則損失少［1］。

經(jīng)試驗得知，混凝土經(jīng)過預先養(yǎng)護達到一定強度后遭凍結(jié)其后期抗壓強度損失就會減少，一般把遭凍結(jié)其后期抗壓強度損失在5%以內(nèi)的預養(yǎng)強度值定為 “混凝土凍臨界強度”。

2 冬季施工方法

冬季混凝土施工主要是確定混凝土最短的養(yǎng)護齡期、防止混凝土早期凍害、保證混凝土后期強度和耐久性滿足要求。施工過程中，根據(jù)施工時的氣溫情況、工程結(jié)構、工期、水泥品種、外加劑、保溫措施、熱源條件等選擇合理的施工方法，用最短的工期、最低的施工費用來獲得最優(yōu)良的工程質(zhì)量［2］。歸納起來，主要有蓄熱法、模板外層保溫法、摻加防凍劑法等。其中蓄熱法主要用于結(jié)構比較厚大的工程。做法是：對原材料 （水、砂、石）進行加熱，使混凝土在攪拌、運輸和澆筑以后，還儲備有相當?shù)臒崃?，以使水泥水化放熱較快，并加強對混凝土的保溫，以保證在溫度降到0℃以前使新澆混凝土具有足夠的抗凍能力。此法工藝簡單，施工費用低，但要注意內(nèi)部保溫，避免角部與外露表面受凍，且要延長養(yǎng)護齡期。

3 蓄熱法混凝土配合比調(diào)整方法

選用適合冬季施工的混凝土配合比。根據(jù)施工方法、環(huán)境條件適當調(diào)整配合比，將骨料帶入的水分及外加劑溶液中的水分從拌和水中扣除。具體做法：①選擇適當品種的水泥是提高混凝土抗凍的重要手段［3］。試驗結(jié)果表明，應使用早強硅酸鹽水泥，該水泥水化熱較大，且在早期放出強度最高，一般3d抗壓強度大約相當于普通硅酸鹽水泥7d的強度，效果較明顯；②盡量降低水灰比，稍增水泥用量，從而增加水化熱量，縮短達到齡期強度的時間；③選擇顆粒硬度高和縫隙少的集料，使其熱膨脹系數(shù)和周圍砂漿膨脹系數(shù)相近。

某閘墩采用C30混凝土，壩區(qū)平均氣溫為3.6℃，全年有5個月月平均氣溫在0℃以下，最冷的月份平均氣溫為－19.4℃，極端最低氣溫為－38.1℃。

C30閘墩混凝土的施工配合比見表1。

表1 C30混凝土的施工材料用量及特性表Table 1 C30concrete construction content and characteristics table

4 冬季施工技術溫度分析

4.1 混凝土拌制溫度確定

冬季混凝土攪拌時間比常溫施工延長50%，對摻有外加劑的混凝土攪拌時間取常溫攪拌時間的1.5倍。最短拌制時間90s。混凝土拌和物出料溫度≥10℃。

利用拌和前混凝土原材料總熱量與拌和后流態(tài)混凝土總熱量相等的原理，可求得混凝土出機口溫度：

式中T1為混凝土出機口溫度，℃；T0為混凝土材料加熱溫度，℃；Ti為混凝土拌和站內(nèi)溫度，℃。

其中T0為混凝土材料加熱溫度，℃；Cs，CG，Cc，Cw分別為砂、石、水泥、水的比熱，kJ／（kg ·℃）；qs，qG分別為砂、石的含水率，%；Ws，WG，Wc，WW分別為1m3混凝土中砂、石、水泥、水的重量，kg；Ts，TG，Tc，TW分別為砂、石、水泥、水的溫度，℃。

混凝土拌和站內(nèi)溫度為－5℃。假定C30混凝土拌和物在拌和過程中熱量交換達到穩(wěn)定狀態(tài)，即溫度穩(wěn)定時的溫度為T0，考慮水0℃以下是冰，在冰融化過程中發(fā)生熵變，即由0℃冰變成0℃水要吸收熱量，反之，要釋放熱量。則C30混凝土拌和物溫度T0＝28.58℃。C30混凝土拌和物出機溫度T1＝20.2℃，滿足文獻［1］的要求。

4.2 混凝土的運輸溫度分析

混凝土運輸要快裝快卸，混凝土運輸使用混凝土罐車進行運輸，運輸時對混凝土罐車用保溫皮革包裹，根據(jù)施工用量和澆筑時間選擇容量，合理組織裝、運、卸，減少混凝土裝卸次數(shù)，防止混凝土熱量散失、表層凍結(jié)、離析、水泥砂漿流失、坍落度變化等。當拌制混凝土出現(xiàn)坍落度減小或發(fā)生速凝現(xiàn)象時，重新調(diào)整拌和料的加熱溫度。正確選擇拌和站的擺放位置，選擇最佳運輸路線，縮短運輸距離。

混凝土在運輸途中，混凝土罐將不停的攪拌，混凝土在攪拌過程中其溫度不會有較大的下降，混凝土拌和物經(jīng)運輸?shù)綕仓r的溫度T2可由下式得到：

式中a為溫度損失系數(shù)，當用混凝土攪拌車運輸時，a＝0.25；t1為混凝土拌和物自運輸?shù)綕仓r的時間（h），設定混凝土運輸時間為30min；n為混凝土拌和物運轉(zhuǎn)次數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場測試，混凝士攪拌運輸車裝卸2次；Ta為混凝土拌和物運輸時環(huán)境溫度 （℃），設定為－8℃。

4.3 混凝土的入模溫度分析

一般冬季施工時混凝土的入模溫度控制在10℃左右，為了能達到這一要求，需要對混凝土泵管進行保溫處理。混凝土泵管在現(xiàn)場先用阻燃草簾被包裹，再在草簾被外包裹一層塑料布防止水淋濕草簾被而影響保溫效果。

可以推導出混凝土拌和物T0與入模溫度T2、氣溫Ta、運輸時間t1、轉(zhuǎn)運次數(shù)n、攪拌棚內(nèi)溫度Ti之間的關系：

4.4 混凝土成型溫度分析

混凝土的終凝溫度與環(huán)境溫度關系密切?；炷恋慕K凝時間也對混凝土的終凝溫度有一定的影響，澆筑前，對結(jié)合面進行加熱，使結(jié)合面有5℃以上的溫度，對施工縫1.5m范圍內(nèi)的混凝土和長度1m范圍內(nèi)的外露鋼筋進行防寒保溫，再鋪一層厚15cm與混凝土灰砂比相同而水灰比略小的水泥砂漿，澆筑新層混凝土后重點搗實。振搗緊插慢拔，保證混凝土的均勻性、密實性和結(jié)構的整體性。

C30混凝土澆筑成型時的溫度T3為：

式中T3為考慮模板和鋼筋吸熱影響，混凝土成型完成時的溫度 （℃）；Cc為混凝土的比熱容 （kJ／kg·K），根據(jù)上述計算Cc為0.97kJ／kg·K；Cf為模板的比熱容（kJ／kg·K），查找資料Cf為0.48kJ／kg·K；Cs為鋼筋的比熱容（kJ／kg· K），查找資料Cs為0.48kJ／kg·K；Mc為混凝土重量（kg／m3），根據(jù)上述計算Mc為2 326kg； Mf為混凝土相接觸模板的重量 （kg／m3），設定混凝土相接觸模板的重量Mf為200kg／m3；Ms為混凝土相接觸鋼筋的重量 （kg／m3），設定混凝土相接觸鋼筋的重量Ms為100kg／m3；Tf、Ts為模板、鋼筋的溫度，未預熱時可采用當時的環(huán)境溫度（℃），設定為0℃。

混凝土初始養(yǎng)護溫度滿足要求。

4.5 拆模溫度分析

根據(jù)溫度變化，及時掌握混凝土的拆模時間。澆筑溫度0～4℃的混凝士凝結(jié)時間比15℃時延長3倍。溫度到0.3～0.5℃時，混凝土開始凍結(jié)，凍結(jié)后水化反應基本停止；在－10℃時，水泥水化反應完全停止，混凝土強度不再增長。采用暖棚法養(yǎng)護的混凝土，當養(yǎng)護完畢后環(huán)境溫度在0℃以下時，應待混凝土冷卻至5℃以下時拆模。當冬季混凝土拆模強度滿足正常溫度下，且混凝土拆模強度同時滿足抗凍規(guī)定的正常溫度下，混凝土拆模強度即側(cè)模達到＞2.5MPa時，混凝土表面及棱角不因拆模而受傷。結(jié)構跨度＞2.0m的蓋板，強度達到設計強度的100%；≤2.0m的蓋板，強度達到設計強度的75%方可拆模。當混凝土與環(huán)境的溫差在10～15℃時，拆除模板后立即在混凝土表面覆蓋氈布、草袋及彩條布。

4.6 混凝土養(yǎng)護溫度分析

澆筑完成后，及時加熱養(yǎng)護，使混凝土結(jié)合面保持正常溫度，直至新澆混凝土獲得規(guī)定的抗凍強度。低于其抗凍臨界溫度4℃，混凝土通過采取適當保溫措施后其溫度將有一個回升的過程。混凝土的終凝溫度是混凝士后期養(yǎng)護溫度的關鍵，終凝溫度越高養(yǎng)護溫度將提高得越快，其強度增長將越快，到達臨界強度的時間將縮短，施工周期相應縮短且提高工作效率。

4.7 混凝土放熱溫度分析

混凝土在不同溫度下的放熱速率不同，在相同的時間間隔內(nèi)，放熱量也不同?？梢杂傻刃g期的概念，根據(jù)在已知溫度下某段時間內(nèi)的混凝土放熱量，計算在其他溫度下該時間段內(nèi)的混凝土放熱量。

由Arrhenius方程［4］，在任意溫度下，單位體積混凝土的放熱速率由下式計算：

式中h（t，θ）為在θ溫度下t時刻的單位體積混凝土的放熱速率；Q為單位體積混凝土的最終放熱量；（1－α）為水泥的水化反應機理函數(shù)；α為水泥的水化度。

設單位體積混凝土在t時刻，溫度為θ1時，所放出來的熱量為ΔQ1，則有：

混凝土的終凝溫度與環(huán)境溫度有很大的關系，混凝土的終凝時間也對混凝土的終凝溫度有一定的影響，混凝土的終凝時間越長其溫度將下降越多。在混凝土的澆筑現(xiàn)場通過采取加溫、對其周圍進行圍擋避免寒風進入等措施，使混凝土溫度下降速度減慢，提高混凝土的終凝溫度?；炷猎诮K凝時的溫度是混凝土在澆筑過程中的最低溫度，此時只要保證混凝土的溫度不低于其抗凍臨界溫度4℃，混凝土通過采取適當保溫措施后其溫度將有一個回升的過程。C30閘墩混凝土澆筑溫度變化見圖1。

圖1 混凝土放熱溫度Fig.1 Exothermic temperature of concrete

5 結(jié) 論

混凝土的澆筑過程是控制混凝土溫度的關鍵過程，在這一過程中對混凝土澆筑要做到合理安排、精心組織，使混凝土在盡可能短的時間內(nèi)完成澆筑任務，從而確保混凝土溫度盡可能的少降低，使混凝土在比較短的時間內(nèi)達到臨界強度，從而撤除混凝土的保溫措施降低工程施工成本。當然對于不同的施工區(qū)域及施工環(huán)境、不同的施工方法，混凝土的溫度變化曲線是不一樣的，但是對于同樣的施工區(qū)域、同樣的施工環(huán)境及施工方法，混凝土的溫度變化曲線是不可能有多大的差別。具體來說要做好以下幾點工作方能達到我們所預期的目的。

在冬季混凝土施工中，要嚴格按照所制定的混凝土施工技術方案和技術措施組織施工，特別是在幾種特殊情況下的施工技術措施。在施工過程中隨時掌握天氣變化情況，合理安排混凝土的澆筑時間，確?；炷恋臏囟葥p失盡可能的小。冬季施工混凝土時，盡量不讓混凝土受凍，或讓其受凍時已達臨界強度值而保證混凝土最終強度不受到損失。

在冬季澆筑混凝土時，要提前做好各項準備工作，從各種材料機具到人員均要有一個完整的準備，只有在各項準備工作充分以后才能開始進行冬季混凝士施工。

在冬季進行混凝土澆筑施工時，隨時掌握混凝土溫度的變化，針對不同的溫度變化采取切實可行的防止混凝上溫度降低的措施。

通過以上分析，在進行混凝土的冬季施工時只要采取適當?shù)募夹g措施，加強對混凝土幾個關鍵溫度的控制，掌握最佳時機對混凝土采取保溫措施，就能夠保證混凝土的冬季施工質(zhì)量。從混凝土溫度曲線中能夠掌握到混凝土溫度變化的規(guī)律，應利用這一規(guī)律，來合理地安排混凝土施工，既要保證施工質(zhì)量，又要降低施工成本提高效益。

［1］JGJ 104－1997，建筑工程冬季施工規(guī)程［S］.

［2］原晉濮.混凝土冬季施工的要點 ［J］.山西建筑，2007，（6）：174－175.

［3］劉 江.建筑施工手冊：第四版 ［K］.北京：建筑工業(yè)出版社，2004.

［4］王甲春，閻培渝.早齡期混凝土結(jié)構的溫度應力分析［J］.東南大學學報：自然科學版，2005，35（9）：15－18.